2.2.4　聚合物乳液配方設計

乳液聚合原料種類很多，材料的極性差距很大；乳化劑的結構多樣，也各有特性；聚合過程的靈活變化，各種因素的疊加影響使得乳液聚合的配方設計也呈現出復雜性和多樣性的特點。但是在配方設計上，還是有一些基本的原則可以遵循。

2.2.4.1　明確聚合物乳液目標

建立聚合物乳液的使用性能要求和聚合物乳液的聚合物性能之間關聯。聚合物乳液在膠體方面特性：如表面張力、粒子尺寸及分布、粒子形態、化學穩定性、機械穩定性等，在聚合物方面特性：分子量以及分布、交聯度、黏度、T_g、最低成膜溫度，耐候性、吸水率等；針對乳液聚合物的使用過程，應用環境，使用標準，來選擇這些基本的特性中必要的內容。這是乳液聚合配方設計最基礎，最關鍵的一步。確定聚合物乳液的目標參數，是建立在全面了解使用過程的基礎上，必須對使用過程的膠體界面、聚合物形變、化學反應等機理充分了解，才能找到與使用性能關聯最緊密的因素和建立初步聚合物乳液目標。

在工業涂料中，聚合物乳液的使用的條件和目標要求千差萬別，在確定目標參數時，需要性能間的平衡。聚合物乳液在這領域的使用剛剛開始，對于目標參數的設定時需要一段時間的磨合和認同。這里以JS防水材料的聚合物乳液為例來說明如何建立聚合物乳液的目標參數。這一體系的使用環境和基材相似度很高，JS防水材料檢測的項目主要是：拉伸強度和伸長率，低溫柔性，抗滲性，粘接強度等性能，在使用時關注流動性，工作時間，干燥時間等施工性能。這些性能需要與聚合物乳液的特性建立關聯，從膠體角度，需要考慮的目標參數是：乳液粒子的Ca²⁺穩定性，高pH的粒子穩定性，乳化劑和水相低聚物對于水泥粒子的吸附，以及對于水泥粒子的水合過程和無機粒子分散性的影響（水泥乳液漿體的分散流動性、水合反應速率、開放時間等），聚合物乳液粒子與水泥粒子的膠體干燥模型——無機粒子與聚合物粒子形成復合材料的微觀結構的影響（水的揮發速度和水泥水合速度的平衡、強度和延伸率、吸水率和抗滲性等），這些膠體特性目標參數的建立，是乳液聚合物設計的根本，膠體形成具有強度完好聚合物膜是聚合物的性能的展現的基礎，因此膠體特性是聚合物乳液設計必須首先考慮的目標參數。從聚合物特性需要考慮的目標參數是聚合物的耐堿性、分子量及分布、交聯度、T_g、官能團與Ca²⁺的反應性等。

初步建立乳液的目標參數。①粒子耐Ca²⁺和高pH穩定性，從膠體的角度考慮，較大的粒徑和很強的位阻穩定是比較適合的選擇；聚合物粒子表面在高濃度Ca²⁺和高Ph條件下需要有合適雙電層的厚度，控制聚合物粒子在水泥粒子表面的吸附量，避免在成膜過程中強烈的抑制水泥的水合反應，不能獲得較高的強度。②適當的開放時間與水泥水合反應的平衡，合理的非離子乳化劑和非離子單體用量，合理抑制水泥的水合反應，過多的抑制水合反應可以獲得較長開放時間，但是最終的強度會受到損失。③水相低聚物結構和濃度控制，提供合適的分散和水泥水合控制。需要選擇水溶性單體種類和用量，反應溫度，引發劑用量需要在一個合理范圍配合。④較低的T_g和耐堿性好的單體，較高的分子量保證聚合物有較好的拉伸強度和延伸率，根據高分子化學和物理的基本原理確定。⑤活性水泥粒子條件下的厚膜的干燥模型。分析成膜過程的空隙的產生原因和控制，聚合物乳液粒子與水泥粒子的分布以及互貫穿結構形成的條件影響因素：溫度、濕度、粉體與聚合物乳液的比例、涂膜厚度、水泥的用量和種類等。不同使用條件下的成膜的過程會產生很大的差異，在最后一節會詳細介紹成膜機理，這里就不進行詳細分析，成膜過程影響膠體粒子的堆積和水泥粒子的水合進程。所有的膠體的性能的體現和發生作用是在這一個過程中展現出來，條件影響因素可以將膠體的目標參數限定在適當的范圍，設計出最適合的聚合物乳液。換個方式說，任何一個聚合物乳液要展現出最佳的使用性能，一定有一個最適合使用條件。

目標參數建立以后，需要針對目標參數，建立合適檢測方法。這個檢測方法是針對膠體應用過程的分析來建立的，例如水分的揮發和水泥水合之間的比例如何受到環境的影響，WO結構對于分散和水泥水合的影響等，過程機理的檢測猶如一雙微觀世界的眼睛，可以讓聚合物乳液的開發過程清晰，并將結果用來分析和建立干燥過程的成膜的模型，逐漸修正目標參數并建立合理的成膜模型，可以幫助產品應用性能的提升和配方調整過程的高效和準確。

2.2.4.2　確定單體組成

根據聚合物乳液產品的目標參數，確定聚合物乳液的單體組成。單體組成是聚合物乳液工藝和配方的基礎，單體的特性決定了水相自由基的反應特點和聚合物膠體粒子的界面能、單體兩相的分配比、擴散系數等參數，是選擇乳化劑和工藝參數基本的起點。

2.2.4.3　確定乳化劑

在確定了單體組成之后，同時要知道基本的工藝參數條件：引發劑用量、反應溫度、時間，然后根據聚合乳液的膠體目標參數、單體組成、工藝條件來選擇乳化劑類型和基礎用量。采用建立的檢測方案，測定過程中的數據和使用的性能數據，將使用性能和聚合物乳液的膠體特性建立關聯，用于調整乳化劑的種類和用量，以及工藝參數。

2.2.4.4　緩沖鹽的用量

pH緩沖劑對于聚合物的性能也會有明顯的影響，它的選擇是要以聚合物乳液產品的物理性質和膠體性能來考慮。pH緩沖劑會影響：引發劑的分解速率、羧基單體的電離度、粒子表面的雙電層、水相低聚物的結構等。在特定的乳液聚合過程中，根據機理分析它如何影響乳液聚合過程的機理，才能準確的選擇它的使用量和種類。

2.2.4.5　工藝條件

工藝條件的確定依據聚合物的基本特性來選擇。例如反應溫度的選擇和確定，與多個因素相關，溫度升高的影響包括：引發劑的半衰期減少，鏈增長反應常數越大，分子量相對增加，較高的支化度等。一般熱分解引發反應溫度在80～90℃，氧化還原引發在50～70℃。反應溫度比聚合物的T_g高40～50℃以上有利于自由基的擴散，增加反應的轉化率，減少殘余單體。

乳液聚合的設備要求采用高等級不銹鋼或搪瓷，避免鐵離子的溶出。在乳液聚合過程中，采用最小的剪切力，最快速的將單體分散均勻是有利于乳液聚合的攪拌方式。反應容器的設計，與產品性能之間存在關聯性，但是這方面的資料較少。